1、电电子子鼻鼻 一一.电子鼻技术概况电子鼻技术概况 电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问。电子鼻是用来区分和辨别复能的一门学问。电子鼻是用来区分和辨别复合气味的合气味的,能够再现嗅觉感官的结构和原理。能够再现嗅觉感官的结构和原理。随着社会的发展随着社会的发展,人的嗅觉器官在日常生活人的嗅觉器官在日常生活中的重要性有所下降中的重要性有所下降,但嗅觉在食品工业、但嗅觉在食品工业、环境检测、医疗卫生、药品工业、安全保障、环境检测、医疗卫生、药品工业、安全保障、公安与军事等方面的重要性却与日俱增。公安与军事等方面的重要性却与日俱增。电子鼻技术概况电子鼻技术概况
2、 基本上基本上,电子鼻包括一组传感器和一个数据分析系统。传电子鼻包括一组传感器和一个数据分析系统。传感器的作用就像生物受体一样感器的作用就像生物受体一样,而数据分析系统可以将传而数据分析系统可以将传感器从气味获得的信息转换为感器从气味获得的信息转换为“嗅觉图象嗅觉图象”,类似于我们类似于我们的嗅觉。电子鼻的类型很多的嗅觉。电子鼻的类型很多,其典型的工作程式是：首先，其典型的工作程式是：首先，利用真空泵把空气取样吸取至装有电子传感器阵列的小容利用真空泵把空气取样吸取至装有电子传感器阵列的小容器室中接着，取样操作单元把已初始化的传感器阵列暴露器室中接着，取样操作单元把已初始化的传感器阵列暴露到气味
3、体中，当挥发性化合物（）与传感器活性材到气味体中，当挥发性化合物（）与传感器活性材料表面相接触时，就产生瞬时响应这种响应被记录并传送料表面相接触时，就产生瞬时响应这种响应被记录并传送到信号处理单元进行分析，与数据库中存储的大量到信号处理单元进行分析，与数据库中存储的大量图案进行比较、鉴别，以确定气味类型，电子鼻能够将气图案进行比较、鉴别，以确定气味类型，电子鼻能够将气味进行区分和比较是因为不同的气味具有不同的嗅觉图象味进行区分和比较是因为不同的气味具有不同的嗅觉图象,这就使得电子鼻有别于其它的分析技术这就使得电子鼻有别于其它的分析技术,比如比如:气相色谱气相色谱,它可以区分和测量气体混合物中的
4、单分子级别。它可以区分和测量气体混合物中的单分子级别。电子鼻技术概况电子鼻技术概况 电子鼻将气味识别为一个整体电子鼻将气味识别为一个整体,在单个嗅在单个嗅觉图象中揭示不同分子种类的综合作用。觉图象中揭示不同分子种类的综合作用。它与人和动物的鼻子一样它与人和动物的鼻子一样,“,“闻到闻到”的是的是目标物的总体气息。电子鼻技术的研究涉目标物的总体气息。电子鼻技术的研究涉及材料、精密制造工艺、多传感器融合、及材料、精密制造工艺、多传感器融合、计算机、应用数学以及各具体应用领域的计算机、应用数学以及各具体应用领域的科学与技术科学与技术,具有重要的理论意义和应用前具有重要的理论意义和应用前景。景。二二.
5、电子鼻技术发展历程电子鼻技术发展历程 80 年代初期年代初期,在科技文献中出现了在科技文献中出现了“电子鼻电子鼻”这个技术这个技术术语。术语。“电子鼻电子鼻”的概念的概念,最早是最早是1982 年英国年英国Warwick 大学的大学的Persand 和和Dodd教授模仿哺乳动物嗅觉系统的结教授模仿哺乳动物嗅觉系统的结构和机理构和机理,对几种有机挥发气体进行类别分析时提出来的。对几种有机挥发气体进行类别分析时提出来的。1989 年在北太西洋公约组织的一次关于化学传感器信息年在北太西洋公约组织的一次关于化学传感器信息处理会议上对电子鼻做了如下定义处理会议上对电子鼻做了如下定义:“电子鼻是由多个性电
6、子鼻是由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置。具有识别单一和复杂气味能力的装置。随后随后,于于1990 年举行了第一届电子鼻国际学术会议。电年举行了第一届电子鼻国际学术会议。电子鼻是目前世界上的热点研究课题。第一台商业化的子鼻是目前世界上的热点研究课题。第一台商业化的“电子鼻电子鼻”于于1994 年诞生。年诞生。三三.电子鼻技术原理电子鼻技术原理传统的电子鼻气味识别的基本原理是传统的电子鼻气味识别的基本原理是:气气体传感器体传感器i 对气味对气味j 的响应是一个与时间相的响应是一个与时间相关的电信
7、号关的电信号,工作时采集气体传感器的稳态工作时采集气体传感器的稳态响应值响应值vij,由由n个传感器组成的阵列对气味个传感器组成的阵列对气味的响应是的响应是n 维状态空间的一个向量维状态空间的一个向量v(n)=(v1 j,v2j,vnj),实验实验m 次次,则得到一个则得到一个mn 的矩阵。利用这组数据即可进行气味的矩阵。利用这组数据即可进行气味的识别。此方法最大的缺陷是的识别。此方法最大的缺陷是:当电子鼻系当电子鼻系统确定后统确定后,每次实验所得到的关于被测气体每次实验所得到的关于被测气体的信息就是一个确定的的信息就是一个确定的n 维向量维向量,只能提供只能提供很有限的被测气味的信息很有限的
8、被测气味的信息,制约了识别精度制约了识别精度的进一步提高。的进一步提高。电子鼻技术原理电子鼻技术原理 电子鼻动态信息识别方法的基本原理是电子鼻动态信息识别方法的基本原理是:设计动态加热电路设计动态加热电路,使得气体传感器工使得气体传感器工作在一个不断改变的温度范围作在一个不断改变的温度范围(t1,t2)内内,实时采集气体传感器在动态变化的实时采集气体传感器在动态变化的温度下的响应值温度下的响应值,同时采集与之对应的同时采集与之对应的温度值温度值,因为气体传感器的响应值和温因为气体传感器的响应值和温度之间的关系是非线性的度之间的关系是非线性的,这样一次测这样一次测量就可以得到一个量就可以得到一个
9、s n 距阵。这极大距阵。这极大的增加了被测气体的有用信息量，具有的增加了被测气体的有用信息量，具有更高的识别准确率和识别效率。更高的识别准确率和识别效率。3.1电子鼻系统的组成结构电子鼻系统的组成结构电子鼻系统的组成结构电子鼻系统的组成结构 该系统由集成气体传感器阵列、集成气体传感器该系统由集成气体传感器阵列、集成气体传感器阵列信号预处理模块、阵列信号预处理模块、NI 数据采集卡、计算机数据采集卡、计算机(完成加热电路数据采集的控制完成加热电路数据采集的控制,数据的存储数据的存储,模模式识别式识别)等几部分组成。等几部分组成。该集成气体传感器阵列由集成在该集成气体传感器阵列由集成在Al2O3
10、 基底上的基底上的三个单一气体传感器和两个用于保证传感器工作三个单一气体传感器和两个用于保证传感器工作温度的加热器构成温度的加热器构成,气体传感器为基于气体传感器为基于SnO2 的金的金属半导体敏感层属半导体敏感层,敏感机理为被检测气体吸附造成敏感机理为被检测气体吸附造成的半导体敏感层电导率的变化。加热器及电极由的半导体敏感层电导率的变化。加热器及电极由铂层组成铂层组成,同时同时,加热器也可分别作为温度传感器加热器也可分别作为温度传感器使用。使用。3.2集成气敏传感器信号拾取模块集成气敏传感器信号拾取模块由于气体传感器对不同气体由于气体传感器对不同气体,以及同种气体不同浓度的响应具有较大以及同
11、种气体不同浓度的响应具有较大的差异的差异,因此要求系统具有较大的动态响应范围因此要求系统具有较大的动态响应范围,同时同时,对确定位数的对确定位数的A/D 转换系统转换系统,动态响应范围增大动态响应范围增大,又会降低分辨率又会降低分辨率,因此设计准确、因此设计准确、有效的气体传感器信号拾取电路是电子鼻系统分析的前提和关键。有效的气体传感器信号拾取电路是电子鼻系统分析的前提和关键。单路气体传感器信号拾取电路原理图单路气体传感器信号拾取电路原理图图图 中中Rsensor 为气体传感器的电阻为气体传感器的电阻,R1 为一定值反馈电为一定值反馈电阻阻,R2 表示三端可调电阻的有效电阻表示三端可调电阻的有
12、效电阻,R3、C1 构成低通滤构成低通滤波器波器,给气敏传感器两端施加的是由稳压二极管提供的参给气敏传感器两端施加的是由稳压二极管提供的参考电压考电压Vref。模拟输出信号。模拟输出信号Vani 引入数据采集卡。图中引入数据采集卡。图中R1、R2 以及运算放大器构成反向放大电路。以及运算放大器构成反向放大电路。S 为气体传感器响应信号为气体传感器响应信号,则则S 值与气敏传感值与气敏传感器电阻值器电阻值RSensor成正比。因为成正比。因为R1,R2 给定给定,测得测得Vani就可得到气体传感器对被测气体产生的响应值。就可得到气体传感器对被测气体产生的响应值。3.3集成气体传感器加热电路设计集
13、成气体传感器加热电路设计 由于气体传感器的由于气体传感器的SnO2 薄膜敏感层的工作薄膜敏感层的工作特性和温度有关特性和温度有关,而且在一定的高温下才对气体而且在一定的高温下才对气体特别敏感特别敏感,所以需要对气体传感器的工作温度进所以需要对气体传感器的工作温度进行控制。在我们所选用的气体传感器阵列中集行控制。在我们所选用的气体传感器阵列中集成了两个铂电阻成了两个铂电阻(Pt500),它一方面作为气体敏它一方面作为气体敏感层的加热器感层的加热器,在铂电阻的两端加上一定的电压在铂电阻的两端加上一定的电压时时,铂电阻的温度就会上升铂电阻的温度就会上升,对气体敏感层进行对气体敏感层进行加热加热,以使
14、气体敏感层获得所需的工作温度。另以使气体敏感层获得所需的工作温度。另一方面铂电阻还可作为温度传感器使用。一方面铂电阻还可作为温度传感器使用。集成气体传感器加热电路设计集成气体传感器加热电路设计 其工作原理是其工作原理是:温度变化时金属铂自身电阻温度变化时金属铂自身电阻值也随之改变而且有很好的线性对应关系值也随之改变而且有很好的线性对应关系,以此来测量温度以此来测量温度,也就是说也就是说,测出铂电阻的测出铂电阻的电阻值就可以得到所对应的温度值。电阻值就可以得到所对应的温度值。当被测介质中存在温度梯度时当被测介质中存在温度梯度时,所测得的温度是感温元所测得的温度是感温元 件所在范围内介质层中件所在
15、范围内介质层中 的平均温度。的平均温度。集成气体传感器加热电路采用脉宽调制集成气体传感器加热电路采用脉宽调制(PWM)的加热方法给铂电阻提供加的加热方法给铂电阻提供加热电压热电压,通过改变加热脉冲的占空比来调节铂电阻上的有效电压。由计算机产生通过改变加热脉冲的占空比来调节铂电阻上的有效电压。由计算机产生一个频率为一个频率为10 Hz 的占空比可调的方波的占空比可调的方波HE1.气体传感器加热电路原理图气体传感器加热电路原理图ME1为温度测量控制信号为温度测量控制信号,HE1、为加、为加热控制信号。热控制信号。ANI1 为采集的温度模拟为采集的温度模拟信号。由图信号。由图 可推得可推得:当当ME
16、1 和和HE1 都是都是低电平时低电平时T 1 T6 都处于断开状态都处于断开状态,即即没有控制信号时各管都截止没有控制信号时各管都截止;当当ME1 为为低电平低电平HE1 为高电平时为高电平时,T1、T3 截止截止,T3截止则截止则T5 截止截止,T1 截止且截止且HE1 为高为高电平则电平则T2、T6导通导通,T 6 导通则模拟输导通则模拟输出出ANI1 恒为低电平即没有温度信号输恒为低电平即没有温度信号输出出,T 2 导通则导通则T4 导通导通,此时此时+VCC 通通过过T4、Rpt 再到地再到地,+5 V 的电源电压的电源电压几乎全加到铂电阻上几乎全加到铂电阻上,开始加热。开始加热。当
17、当ME1 为高电平时为高电平时,不管不管HE1 的电平是高还是低的电平是高还是低,T1、T3 导通导通,T 1 导通则导通则T2、T6 截止截止,T 2 截止则截止则T4 截止截止,T3 导通导通则则T5 导通导通,此时此时+VCC 通过通过T5、R5、Rpt 再到地再到地,在模拟在模拟输出输出ANI1 上测得上测得RPT 上的分压上的分压:（0.20 为为MOSFET 管管T5 的导通电阻）的导通电阻）气体传感器的工作环境温度：气体传感器的工作环境温度：（a=3.908 02 10-3）由软件产生占空比可调动方波信号由软件产生占空比可调动方波信号HE1 作作为铂电阻的加热信号为铂电阻的加热信
18、号,占空比越大则加热电压占空比越大则加热电压的有效值就越大的有效值就越大,加热器的温度也就越高加热器的温度也就越高,同同时产生很窄的方波信号时产生很窄的方波信号ME1 作为温度采样信作为温度采样信号号,实验前首先实验标定实验前首先实验标定HE1 的不同占空比的不同占空比所对应的铂电阻的温度所对应的铂电阻的温度,然后每次实验前在程然后每次实验前在程序中设定序中设定HE1 信号的占空比信号的占空比 则可以得到相应的气敏传感器工作温度则可以得到相应的气敏传感器工作温度,或者设定或者设定HE1 信号的占空比在一定的范围信号的占空比在一定的范围内循环变化内循环变化,则铂电阻的温度也就相应的则铂电阻的温度
19、也就相应的在一定的范围内循环变化在一定的范围内循环变化,这样就可以让这样就可以让气敏传感器在一个循环变化的温度范围内气敏传感器在一个循环变化的温度范围内工作工作,实现对被测气体的动态检测实现对被测气体的动态检测四四.电子鼻的应用电子鼻的应用电子鼻是一项操作简单、快速、准确的无损分电子鼻是一项操作简单、快速、准确的无损分析技术。析技术。电子鼻的应用领域正在逐步扩大电子鼻的应用领域正在逐步扩大,从消防、汽车、从消防、汽车、海关检查、化工控制到食品的新鲜度检测。海关检查、化工控制到食品的新鲜度检测。随着生物计算机的出现随着生物计算机的出现,生物与仿生材料研究的生物与仿生材料研究的进步进步,微细加工技
20、术的提高微细加工技术的提高,纳米技术的应用纳米技术的应用,电子鼻的功能将逐步增强电子鼻的功能将逐步增强,它将会具有更高级的它将会具有更高级的智能智能,能够进行分析、判断、自适应、自学习、能够进行分析、判断、自适应、自学习、最终发展到具有创造能力最终发展到具有创造能力,可以完成图像识别、可以完成图像识别、特征值提取、多维检测等复杂任务特征值提取、多维检测等复杂任务,其应用前景其应用前景将更广阔。将更广阔。例如电子鼻可以用作智能烟尘 检测器,及时预报火灾,发出警 报。它还能辨别出是意外的火 情,还是来自煎锅的烟雾。家里的冰箱安上微型电子鼻,当食品腐败变味时,它会发出警报。微波炉里装上一个电子鼻,当
21、食物煮熟时,就会自动关掉微波炉。浴室、卧室里装上一个电子鼻,当室内气味不佳时,它就会打开换气扇。台湾台湾“工研院工研院”在成功大学展示最新研发的在成功大学展示最新研发的医疗器材，其中的生物电子鼻，只要人呼一医疗器材，其中的生物电子鼻，只要人呼一口气，它就知道有无尿毒症及肝功能疾病。口气，它就知道有无尿毒症及肝功能疾病。4.1电子鼻的应用电子鼻的应用手机的辐射会对人体的健康构成伤害，但是这款概念手机是通手机的辐射会对人体的健康构成伤害，但是这款概念手机是通过一种被称作电子鼻（过一种被称作电子鼻（eNose）的技术通过监控使用者每天的）的技术通过监控使用者每天的饮食和运动状况来提高使用者的健康意识
22、的。饮食和运动状况来提高使用者的健康意识的。通过这项特殊的技术，这款手机可以根据不同的化学标识通过这项特殊的技术，这款手机可以根据不同的化学标识“闻闻”出特定的食物。当汇集了足够的数据之后，它还会提醒出特定的食物。当汇集了足够的数据之后，它还会提醒使用者遗漏了哪些必须的营养物质，从而帮助使用者均衡营养，使用者遗漏了哪些必须的营养物质，从而帮助使用者均衡营养，养成良好的饮食习惯。养成良好的饮食习惯。4.2 4.2 电子鼻的应用电子鼻的应用4.34.3电子鼻在乳制品行业应用电子鼻在乳制品行业应用 2019年意大利的Capone等人使用5个不同的SnO2组成电子鼻仪器中的传感器阵列，识别巴氏杀菌乳核
23、UHT灭菌乳两种牛乳的处理过程以及跟踪牛乳腐败的动力学过程，然后用主成分分析来分析传感器阵列得到的数据，得知了牛乳的品质优劣和整个腐败情况，达到了对乳品的质量进行控制的目的。电子鼻在乳制品行业应电子鼻在乳制品行业应用用 2019年英国的naresh magan等人使用14个导电高分子传感器阵列组成的电子鼻仪器，采用主成分分析等模式识别技术，鉴别出了正常乳制品和由5种微生物引起质量变化的乳制品。电子鼻在乳制品行业应用电子鼻在乳制品行业应用 还有研究用法国alpha mos公司生产的FOX2000电子鼻仪器来鉴别脱脂、33%脂肪、全脂、标准四种不同的瑞士干酪和英国的切达干酪4.44.4电子鼻在水果
24、的成熟度的检测电子鼻在水果的成熟度的检测由于水果所散发的气味能够很好地反映出水由于水果所散发的气味能够很好地反映出水果内部品质的变化，所以，可以通过闻其气果内部品质的变化，所以，可以通过闻其气味来评价水果的品质。然而，人只能感受出味来评价水果的品质。然而，人只能感受出10000种独特的气味，特别是在区分相似的气种独特的气味，特别是在区分相似的气味时，人的辨别力受到了限制。水果在贮藏味时，人的辨别力受到了限制。水果在贮藏期间，通过呼吸作用进行新陈代谢而变熟，期间，通过呼吸作用进行新陈代谢而变熟，因此，在不同的成熟阶段，其散发的气味会因此，在不同的成熟阶段，其散发的气味会不一样。不一样。电子鼻在水
25、果的成熟度的检测电子鼻在水果的成熟度的检测 糖度、糖度、pH值和坚实度等是水果成熟度的标志之一，值和坚实度等是水果成熟度的标志之一，而这些指标都要进行有损检测获得。而这些指标都要进行有损检测获得。Oshita等人等人 将日本的将日本的“La France”梨在不成熟时侯进行采摘，梨在不成熟时侯进行采摘，然后，将它们分成然后，将它们分成3组。组。第第l组在组在4下贮藏下贮藏l15d(未成熟期未成熟期)；第第2组在组在4下贮藏下贮藏115d后，在后，在3O下放置下放置1d(成成熟期熟期)；第第3组在组在4下贮藏下贮藏115d后，在后，在3O下放置下放置5d(完完熟期熟期)。用用32个导电高分子传感
26、器阵列的电子鼻系个导电高分子传感器阵列的电子鼻系统进行分析，采用统进行分析，采用Non linear mapping软软件进行数据处理。同时，用化学分析方法、件进行数据处理。同时，用化学分析方法、GC和和GC-MS对对3个不同阶段的梨进行分析。个不同阶段的梨进行分析。结论是电子鼻能够很明显地区分出结论是电子鼻能够很明显地区分出3种不同种不同成熟时期的梨，并且，同其他分析方法的成熟时期的梨，并且，同其他分析方法的结果有很强的相关性。结果有很强的相关性。电子鼻在水果的成熟度的检测电子鼻在水果的成熟度的检测4.54.5电子鼻在茶叶加工工艺选择的应用电子鼻在茶叶加工工艺选择的应用茶叶的挥发物中包含了大
27、量的各茶叶的挥发物中包含了大量的各种化合物，而这些化合物也很大程种化合物，而这些化合物也很大程度上反映了茶叶本身的品质。度上反映了茶叶本身的品质。Ritaban Dutta等人等人 对对5种不同加种不同加工工艺工工艺(不同的干燥、发酵和加热不同的干燥、发酵和加热处理处理)的茶叶进行分析和评价。的茶叶进行分析和评价。电子鼻在茶叶加工工艺选择的应用电子鼻在茶叶加工工艺选择的应用 为了更好地得到挥发性化合物，他们采用为了更好地得到挥发性化合物，他们采用在在5L的容器中放入的容器中放入l0mg的的 茶叶样品，加入茶叶样品，加入200mL的的60热水，用电热水，用电子鼻检测其顶部空间的空气样品。子鼻检测
28、其顶部空间的空气样品。电子鼻由费加罗公司生产的电子鼻由费加罗公司生产的4个涂锡的金属个涂锡的金属氧化物传感器组成，数据采集和存储用氧化物传感器组成，数据采集和存储用LabVIEW软件，数据处理用软件，数据处理用PCA、模糊、模糊c平均值平均值(FCM，Fuzzy CMeans)和人工神和人工神经网络等方法。经网络等方法。电子鼻在茶叶加工工艺选择的应用电子鼻在茶叶加工工艺选择的应用 结论：采用基于径向基函数的人工结论：采用基于径向基函数的人工神经网络方法分析时，可以神经网络方法分析时，可以100地区分地区分5种不同制作工艺的茶叶。种不同制作工艺的茶叶。电子鼻在茶叶加工工艺选择的应用电子鼻在茶叶加工工艺选择的应用谢谢 谢！谢！
